JP5026732B2 - マイクロ波導入器、プラズマ発生装置及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波導入器、プラズマ発生装置及びプラズマ処理装置に関し、特に、プラズマ発生室内部の金属汚染やパーティクルの発生を抑えることが可能なマイクロ波導入器、これを備えたプラズマ発生装置及びエッチング装置などのプラズマ処理装置に関する。

プラズマを利用したドライプロセスは、半導体製造装置、金属部品の表面硬化、プラスチック部品の表面活性化、無薬剤殺菌など、幅広い技術分野において活用されている。例えば、半導体装置や液晶表示ディスプレイなどの製造に際しては、アッシング、ドライエッチング、薄膜堆積あるいは表面改質などの各種のプラズマ処理が用いられている。プラズマを利用したドライプロセスは、低コストで、高速であり、薬剤を用いないために環境汚染を低減できる点でも有利である。

このようなプラズマ処理を行う装置の代表的なものして、周波数が３００メガヘルツ〜３０ギガヘルツのマイクロ波によりプラズマを励起する「マイクロ波励起型」のプラズマ処理装置がある。マイクロ波励起型のプラズマ源は、高周波プラズマ源などに比べてプラズマ電位が低いので、被処理物に与えるダメージの少ないレジスト・アッシング（resist ashing）や、バイアス電圧を印加した異方性エッチングなどに広く用いられている。

ところで、プラズマ発生装置においては、プラズマの均一性を上げることやプラズマの発生効率を上げることとともに、チャンバ内を清浄に保つことやコンタミネーション（汚染）の発生を防ぐことが極めて重要である。もし、パーティクルなどが発生し被処理物の表面に付着すると、被処理物上に形成される配線がショートしやすくなる等の障害を生じるからである。

チャンバ内を清浄に保つためには、チャンバ外からパーティクルなどを持ち込まないようにするとともに、チャンバ内でのパーティクルやコンタミネーションなどの発生を極力抑える必要がある。ところが、プラズマ発生装置においては、発生したプラズマが発生部の周辺にも広がり、チャンバ内壁などをスパッタリングしてパーティクルや金属汚染などを発生させる虞がある。そのため、プラズマの発生をチャンバ内壁から離れた特定の部分に限定させて、パーティクルや金属汚染などの発生を抑制することができる手段が必要となる。

特許文献１〜３には同軸線路によりチャンバの内部にマイクロ波を導入して、その先端に設けられた円板状の放射部からマイクロ波をチャンバ内のプラズマ発生部に放射させる技術が開示されている。このようにチャンバ内壁から離れた位置で、マイクロ波をチャンバ内に放射させることができれば、プラズマの発生を主にチャンバ内壁から離れた円板状の放射部付近とすることができるので、チャンバ内壁などがスパッタリングされるために発生するパーティクルや金属汚染などを抑制することができる。

図１５は、このようなチャンバ内壁から離れた位置に放射部を備えるプラズマ処理装置を例示する模式図である。

プラズマ処理装置7は、減圧状態を保持できるチャンバ１０を備えている。チャンバ１０の底部には、チャンバ内を排気して減圧するための排気口６が設けられ、排気口６には図示しない真空ポンプなどの排気手段ＥＸが接続されている。チャンバ１０の天井部には、マイクロ波導入器１の同軸線路１ａが貫通するように取り付けられ、同軸線路１ａの先端部がチャンバ１０内に突出するようになっている。チャンバ１０内に突出した同軸線路１ａの先端部には円板状の放射部１ｂが接続され、チャンバ１０外の同軸線路１ａの他端には図示しないマイクロ波発生手段、導波管、同軸変換器などが接続されている。円板状の放射部１ｂは、複数の導体板やストリップラインと誘電体とを組み合わせた複合構造を有している。チャンバ１０の側壁には、エッチングガスなどのプロセスガスＧをチャンバ１０内に導入させるためのガス導入口５が設けられ、ガス導入口５には図示しないプロセスガス供給手段が接続されている。チャンバ１０内の下方には、放射部１ｂに対向するように被処理物Ｗを載置するためのステージ１６が設けられている。

次にプラズマ処理装置７の動作について説明する。最初に排気口６に接続されている図示しない排気手段ＥＸ（例えば、真空ポンプ）によりチャンバ１０内が所定の圧力になるまで減圧される。次にガス導入口５からプロセスガスＧ（例えば、酸素、フッ素含有ガスなど）がチャンバ１０内のプラズマ発生部に向けて導入される。図示しないマイクロ波発生手段により発生させたマイクロ波ＭＷは、これも図示しない導波管、同軸変換器などを介して同軸線路１ａに導かれる。同軸線路１ａに導かれたマイクロ波ＭＷは、放射部１ｂ内に導入され、放射部１ｂ表面からチャンバ１０内に放射される。このようにしてチャンバ１０内に放射されたマイクロ波ＭＷにより、放射部１ｂ付近にプラズマが発生する。この発生したプラズマによってチャンバ１０内のプロセスガスＧが分解あるいは活性化されてラジカルなどの活性種や分解種が生成される。そして、この生成された活性種や分解種によりステージ１６上に載置されている被処理物Ｗに各種の処理が施される。

図１５に表した構造によれば、主に放射部１ｂ付近にプラズマを発生させることで、プラズマ発生位置をチャンバ１０の内壁から引き離すことができ、チャンバ内壁がスパッタリングされることを低減することができる。その結果、チャンバ内壁がスパッタリングされることで発生するパーティクルや金属汚染を抑制することができる。

しかし、この場合、今度は、放射部１ｂにおいて誘電体を覆う導体（金属）がスパッタリングされパーティクルや金属汚染が発生してしまうという問題が生じた。また、従来のプラズマ発生装置１の構成では、プラズマ発生位置をチャンバ１０の内壁から完全に引き離すことができず、チャンバ内壁のスパッタリングを完全に解消することは困難であった。そのため、磁場によるプラズマ位置の制御やチャンバ内壁を冷却液などで冷やす技術などの併用が必要であった。そして、そのような磁場発生装置や冷却装置を設けることとすれば、装置機構の複雑化、装置寸法の過大化、メンテナンスの負担の増大を招くという新たな問題を生じていた。
特開平９−１０２４００号公報 特開平９−３２１０３１号公報 特開２００４−２００１１３号公報

本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、装置機構の
複雑化などを招くことなく、パーティクルや金属汚染などの発生を抑えることのできるマ
イクロ波導入器、これを備えたプラズマ発生装置及びこれを備えたプラズマ処理装置を提
供する。

上記目的を達成するため、本発明の一態様によれば、
プラズマを発生させる空間を有するチャンバに取り付けられるマイクロ波導入器であって、
前記マイクロ波導入器は、前記チャンバの壁面から前記プラズマを発生させる空間に向けて突出した導波体と、前記導波体の先端に設けられ前記プラズマを発生させる空間にマイクロ波を放射させる放射部と、
を備え、
前記導波体は、内導体と、前記内導体の外側に設けられた外導体と、前記内導体と前記外導体との間に設けられマイクロ波を伝搬する内部充填部と、を有し、
前記内導体は、前記放射部を貫通せず前記放射部の内部に突出し、
前記内導体の突出寸法は、前記放射部の厚さ寸法の１５％〜６０％であり、
前記外導体は、前記放射部の内部に突出していないこと、を特徴とするマイクロ波導入器が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、
チャンバと、
前記チャンバに取り付けられた前記マイクロ波導入器と、
を備え、
前記マイクロ波導入器を介して導入されるマイクロ波により前記プラズマを発生させる空間においてプラズマを発生可能としたこと、を特徴とするプラズマ発生装置が提供される。

また、本発明のさらに他の一態様によれば、
前記のプラズマ発生装置を備え、
前記発生させた前記プラズマによって被処理物のプラズマ処理を実施可能としたことを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。

以上詳述したように、本発明によれば、装置機構の複雑化などを招くことなくパーティ
クルや金属汚染などの発生を抑えることのできるマイクロ波導入器、これを備えたプラズ
マ発生装置及びこれを備えたプラズマ処理装置を提供することができ、産業上のメリット
は多大である。

以下、本発明の実施の形態について、具体例を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明の具体例にかかるプラズマ処理装置の要部基本構成を説明する模式断面図である。

本実施形態のプラズマ処理装置７００は、チャンバ３００と、導波管２００と、マイクロ波導入器１００と、を有する。チャンバ３００及び導波管２００は、それぞれ中空構造を有する。チャンバ３００の天井部には、導波管２００が設けられている。チャンバ３００の底部には、排気口４０５が設けられている。この排気口４０５を介して、図示しない排気手段ＥＸによりチャンバ３００内が所定の圧力になるまで減圧される。マイクロ波導入器１００はチャンバ３００の内部空間に突出して設けられており、チャンバ３００の上面を介して導波管２００と接続されている。マイクロ波導入器１００は、導波体１０１と、放射部１００ｅと、を有する。導波体１０１は、チャンバ３００の天井部に対して略垂直方向に設けられている。そして、導波体１０１の上端は、導波管２００と接続されている。放射部１００ｅは、チャンバ３００の天井部に対して略平行に設けられており、導波体１０１の下端と接続されている。放射部１００ｅの主面に対して略垂直下方には、被処理物Ｗを載置するためのステージ４００が設けられている。
ここで、「上端」及び「天井部」とは導波管２００に近い方といい、「下端」及び「底部」とは排気口４０５に近い方をいう。

次に、マイクロ波導入器１００の詳細構造について、説明する。
図２（ａ）は、図１の領域Ｘに含まれるマイクロ波導入器を表す模式断面図であり、図２（ｂ）は、（ａ）のＹ−Ｙ線の模式断面図である。
マイクロ波導入器１００は、導波体１０１とこれに接続された円板状の放射部１００ｅと、を備えている。導波体１０１は、内導体１００ａと、内導体１００ａの外側に設けられた外導体１００ｂと、内導体１００ａと外導体１００ｂとの間に設けられた内部充填部１００ｃと、外導体１００ｂの外側に設けられた外部被覆部１００ｄと、からなる。一方、放射部１００ｅは、単一材料からなる。

外部被覆部１００ｄ、内部充填部１００ｃ、放射部１００ｅは誘電体からなり、例えば石英（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、サファイヤ、窒化アルミ（ＡｌＮ）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）などのセラミックスにより構成されるがこれに限定されるものではなく、化学的に安定で耐熱性、耐食性に優れた絶縁材料であればよい。例えば、外部被覆膜１００ｄ及び内部充填部１００ｃの材料としては、フッ素系樹脂を用いることもできる。ただし、フッ素系樹脂は、放射部１００ｅには、適さない。

なお、各部の誘電体は単一材料でもよいがそれぞれの機能にあわせて適宜選択することができる。例えば、外部被覆部１００ｄは特に耐プラズマ性や耐化学反応性を考慮することが必要となるので、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）や酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）などにすることが好ましい。また、内部充填部１００ｃには固体の絶縁材料を必ずしも用いる必要はなく、空気等の気体、絶縁油などの液体、粒状体や粉状体のように気体層を含有するものなどを用いることもできる。ただし、場合によっては内導体１００ａと外導体１００ｂとの間で放電を生じる虞があるので、前述のように固体の絶縁材料（誘電体）とすることが好ましい。内導体１００ａと外導体１００ｂは、電気抵抗の低い金属などの導体からなり、線膨張率が誘電体に近い方が望ましい。例えば、アルミニウムやアルミニウム合金とすることができ、望ましくは銅、銅合金とすることができる。

マイクロ波導入器１００は、プラズマを発生させる空間８００に向けてチャンバ３００の壁面からチャンバ３００の内側（同図の下側）の減圧空間に向けて突出するように取り付けられる。このマイクロ波導入器１００には、チャンバ３００の外側から、導波管２００を介してマイクロ波ＭＷが導入される。図１に表した具体例の場合、内導体１００ａ、外導体１００ｂ、外部被覆部１００ｄ、内部充填部１００ｃ、放射部１００ｅは、それぞれ円形断面を有する。これら円形の直径は、内導体１００ａが最も小さく、内部充填部１００ｃ、外導体１００ｂ、外部被覆部１００ｄ、放射部１００ｅの順に大きくなる。例えば、内導体１００ａの直径はφ４ミリメータ、内部充填部１００ｃはφ１０ミリメータ、外導体１００ｂはφ１４ミリメータ、外部被覆部１００ｄがφ２０ミリメータとすることができる。

チャンバ３００の内部（同図の下側）の減圧状態を維持するために、外導体１００ｂの上端側（導波管２００側）には外導体１００ｂよりも外径の大きいフランジ部１１０が設けられ、例えば、Ｏ（オー）リング３２０により気密を確保している。ただし、このフランジ部１１０やＯリング３２０は本発明に必須の要素ではなく、他の方法により気密を確保してもよいし、気密を確保する部分の構成位置も適宜変更することができる。

内導体１００ａは、上端側が導波管２００内に突出するように設けられ、下端側（導波管２００から遠い側）が放射部１００ｅを貫通せず放射部１００eの内部に所定寸法（突出寸法Ｈ２）だけ突出するように設けられている。尚、突出寸法Ｈ２と放射部厚さ寸法Ｈ１の関係は後述する。内導体１００ａを囲むようにして外導体１００ｂが設けられ、この内導体１００ａと外導体１００ｂとの間が内部充填部１００ｃとなる。なお、外導体１００ｂの端部は、導波管２００内にも放射部１００ｅ内にも突出していない。外導体１００ｂの外側を覆うようにして外部被覆部１００ｄが設けられている。放射部１００ｅは内導体１００ａの下端側（導波管２００から遠い側）のプラズマを発生させる空間８００に設けられ、内導体１００ａ、外導体１００ｂ、外部被覆部１００ｄ、内部充填部１００ｃと接続されている。

本具体例のマイクロ波導入器１００においては、内導体１００ａの中心軸と外導体１００ｂ、外部被覆部１００ｄ、内部充填部１００ｃ、放射部１００ｅの中心軸とがほぼ一致している。内部充填部１００ｃは、外導体１００ｂと内導体１００ａとの間でマイクロ波を導波する役割を有する。外部被覆部１００ｄは、外導体１００ｂがスパッタリングされたり、プラズマによる反応生成物により浸食されたりするのを抑制し、マイクロ波導入器１００を保護する役割を有する。なお、外部被覆部１００ｄは、保護部材であるため、プラズマ発生位置を放射部Ａの近傍に限定させるという観点からは必須の要件ではない。ただし、外導体１００ｂの長寿命化や金属汚染防止により完全を期す観点からは、外部被覆部１００ｄを設けたほうがよい。このような多重構造からなるマイクロ波導入器１００は、例えば、内導体１００ａを中心としてその周りに、各部材をはめこんで作製してもよいし、セラミックスなどの誘電体を焼成、コーティングなどをして、作製してもよい。

次に、このマイクロ波導入器１００の動作について説明する。
マイクロ波導入器１００へのマイクロ波ＭＷの導入は、以下のようにして行われる。
図２において、マイクロ波発生手段（図示しない）により発生させたマイクロ波ＭＷは、矩形断面の導波管２００によりＴＥ（Transverse Electric）モードでマイクロ波導入器１００部分に導かれる。マイクロ波導入器１００部分に導かれたマイクロ波ＭＷは、導波管２００内に突出している内導体１００ａに導入され、内部充填部１００ｃを伝搬するが、この際、ＴＥモードからＴＥＭ（Transverse Electromagnetic）モードに同軸変換される。

マイクロ波導入器１００内のマイクロ波ＭＷの伝搬は、以下のようにして行われる。
導入されたマイクロ波ＭＷが伝搬する内部充填部１００ｃの外側には同軸の外導体１００ｂがあるので、マイクロ波ＭＷはＴＥＭモードで放射部１００ｅに伝搬する。その際、外導体１００ｂはマイクロ波ＭＷがチャンバ３００の内部に向けて漏れ出さないようにするためのシールドとしての役割をも果たす。

図３は、マイクロ波ＭＷがＴＥＭモードで内部充填部１００ｃを伝搬する様子を説明するための概念図である。図３（ａ）は図２（ａ）のＹ−Ｙ線の模式断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＺ−Ｚ線の模式断面図である。

マイクロ波が内部充填部１００ｃを伝搬すると、内導体１００ａから外導体１００ｂの方向またはその逆方向に電界Ｅが発生する。また、磁界Ｍは、これら電界Ｅの方向に応じて内部充填部１００ｃの中を円周方向に発生する。ここで、記号Ｐは、磁界Ｍを構成する磁力線が紙面に略垂直方向に手前から奥へ向かっていることを表し、記号Ｑは、磁力線が紙面に略垂直方向に奥から手前に向かっていることを表す。

内部充填部１００ｃをＴＥＭモードで伝搬するマイクロ波ＭＷは、磁界Ｍ、電界Ｅを発生させるが外導体１００ｂに阻まれ外部に漏れ出すことが抑制される。そのため、放射部１００ｅに伝搬されるまでの間にマイクロ波ＭＷがチャンバ３００の内部に向けて漏れ出すことが抑制され、チャンバ３００の内壁から離れた位置にある放射部付近Ａにプラズマを発生させるようにすることができる。

ただし、この構成のみではプラズマ発生の位置をチャンバ３００の内壁から完全に引き離すことができず、特に、マイクロ波導入器１００がチャンバ３００から突出している部分のチャンバ内壁部付近Ｂにプラズマが発生しやすい。そのため、この部分のチャンバ内壁がスパッタリングされて、パーティクルや金属汚染などが発生する虞があるので、後述する内導体１００ａの突出寸法Ｈ２と放射部厚さ寸法Ｈ１の関係を考慮する必要が生じる。

外導体１００ｂと内導体１００ａとの間の内部充填部１００ｃには固体の誘電体が充填されているので、外導体１００ｂと内導体１００ａとの間で放電が起きることが防止される。そして、外導体１００ｂの外側は誘電体からなる外部被覆部１００ｄで覆われているので、導体である外導体１００ｂがスパッタリングされたりプラズマによる反応生成物により浸食されたりすることが抑制される。
次に、内部充填部１００ｃをＴＥＭモードで伝搬したマイクロ波ＭＷは、放射部１００ｅに導入される。

ここで、本発明者は、検討の結果、前述した内導体１００ａの突出寸法Ｈ２と放射部厚さ寸法Ｈ１との関係をＨ１：Ｈ２＝１０ミリメータ：１．５〜６ミリメータ（突出寸法Ｈ２を放射部厚さ寸法Ｈ１の１５％〜６０％）とすれば、放射部付近Ａに集中的にプラズマを発生させることができ、チャンバ内壁部付近Ｂにおけるプラズマの発生を防止できるとの知見を得た。そして、望ましくは内導体１００ａの突出寸法Ｈ２と放射部厚さ寸法Ｈ１との関係をＨ１：Ｈ２＝１０ミリメータ：２〜４ミリメータ（突出寸法Ｈ２を放射部厚さ寸法Ｈ１の２０％〜４０％）とすれば、チャンバ内壁部付近Ｂにおけるプラズマの発生を完全に防止できるとの知見を得た。

図４（ａ）は、内導体の突出寸法Ｈ２と電界強度比との関係を示すグラフ図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）で用いる電界強度比を説明する模式図である。
ここで、図４（ａ）において、横軸は、突出寸法Ｈ２（ミリメータ）であり、縦軸が電界強度比（ｄＢ）である。電界強度比は、放射部付近Ａの電界強度をチャンバ内壁部付近Ｂの電界強度で除した値（Ａ／Ｂ）である。すなわち、図４（ｂ）に表すように、放射部付近Ａ及びチャンバ内壁部付近Ｂは、チャンバ３００の上面から略垂直下方に、距離Ｌ、例えば、２０ミリメータ程度離れたところを境に区別している。

この時の測定条件は、放射部厚さ寸法Ｈ１を１０ミリメータ、放射部１００ｅの直径寸法を１０１ミリメータ、内導体１００ａの直径寸法を４ミリメータ、外導体１００ｂの外径１４ミリメータ×内径１０ミリメータ、外部被覆部１００ｄの厚さ寸法３ミリメータ、チャンバ３００の内壁から放射部１００ｅ上面までの寸法を５３ミリメータ、外部被覆部１００ｄ・内部充填部１００ｃ・放射部１００ｅの材質を石英、内導体１００ａ・外導体１００ｂの材質を銅、マイクロ波電源周波数を２．４６ギガヘルツ、プロセスガスを酸素、チャンバ内圧力は１５Ｐａとした。

この電界強度比が大きくなるということは、総放射エネルギーが一定なので放射部付近Ａに放射エネルギーが集中するようになること、逆の言い方をすればチャンバ内壁部付近Ｂにおける放射エネルギーが少なくなることを意味する。そして、この電界強度比を１４ｄＢ以上とすれば、チャンバ内壁部付近Ｂにおける電界強度が放射部付近Ａにおける電界強度の１／５以下となり、チャンバ内壁部付近Ｂにおけるプラズマの発生を防止できることが判明した。また、電界強度比を１８ｄＢ以上とすればチャンバ内壁部付近Ｂにおける電界強度が放射部付近Ａにおける電界強度の１／８以下となり、チャンバ内壁部付近Ｂにおけるプラズマの発生を完全に防止することができた。

同図からわかるように、突出寸法Ｈ２を１．５ミリメータ〜６ミリメータとすれば電界強度比をほぼ１４ｄＢ以上とすることができ、特に２ミリメータ〜４ミリメータとすれば電界強度比をほぼ１８ｄＢ以上とすることができる。そのため、突出寸法Ｈ２をこのような値とすれば、チャンバ内壁部付近Ｂにおけるプラズマの発生を防止することができる。そして、放射部厚さ寸法Ｈ１が変わっても、内導体１００ａの突出寸法Ｈ２と放射部厚さ寸法Ｈ１との寸法比率（Ｈ１：Ｈ２）を変えなければ、同様の効果があることも確認された。

また、マイクロ波電源周波数を変化させても電界強度比はほとんど影響を受けず、内導体１００ａの突出寸法Ｈ２と放射部厚さ寸法Ｈ１との寸法比率以外の各部寸法、各部材質を変えても電界強度比は大きな影響を受けないことも確認できた。ただし、チャンバ３００の内壁から放射部１００ｅ上面までの寸法をあまり小さくすると、放射部１００ｅ付近に発生したプラズマがチャンバ内壁部付近Ｂに近づくことになるので、この寸法はスキンデプス寸法の１０倍程度以上であることが望ましい。ここで、スキンデプス寸法とは、電磁波の浸透する深さを意味する。
この結果、チャンバ内壁部付近Ｂにおけるスパッタリングがなくなり、パーティクルや金属汚染などの発生を防止することができた。

図５は、本実施形態に係るマイクロ波導入器から得られる実験例を表す模式図である。

本実験例では、マイクロ導入器にマイクロ波を伝搬させたときの電界強度比分布をシミュレーションにより構造解析を行った。
ここで、導波体１０１の上端は、チャンバ３００の上面に対して略垂直方向に接続されている。導波体１０１の下端は、チャンバ内壁と略平行に設けられた放射部１００ｅの中央に接続されている。内導体１００ａの下端は、放射部１００ｅを貫通せずに放射部１００ｅの内部に突出した構造を有する。構造解析は、例えば、株式会社エー・イー・ティ・ジャパン社製の「ＭＷ−Ｓｔｕｄｉｏ」を用いて行うことができる。電界強度比分布は、モノトーン色の濃淡で表し、電界強度比が高い程濃く、低いほど淡くなるように表示した。
放射部１００ｅは、直径をφ１０１ミリメータとし、厚さを１０ミリメータとする。内導体１００ａの突出寸法Ｈ２は、約２ミリメータとする。
図５から、電界強度は、放射部１００ｅの端部が特に高く、導波体１０１の下端、導波体１０１の上端、の順に小さくなることが分かる。このように電界強度の高い放射部１００ｅをチャンバ３００の上面から離して設けることで、チャンバ３００の内壁などがスパッタリングされるのを抑制することができる。

図６は、プラズマ電子密度と電界強度比との関係を示すグラフ図である。
ここで、横軸がプラズマ電子密度（ｃｍ^−３）であり、縦軸が電界強度比（ｄＢ）である。プラズマ電子密度はチャンバ３００内のプラズマ密度の平均値である。電界強度比は、図４と同様に、放射部付近Ａにおける電界強度をチャンバ内壁部付近Ｂにおける電界強度で除した値（Ａ／Ｂ）である。この時の測定条件は、図４の場合と同一である。

プラズマ電子密度は処理条件の変化などで変動する場合があるが、同図より、プラズマ電子密度が例えば、１０×１０^１１ｃｍ^−３と高くなっても電界強度比は１８ｄＢ以上とすることができ、チャンバ内壁部付近Ｂにおけるプラズマの発生、すなわち、パーティクルや金属汚染などの発生を防止できる。

このようにして、放射部１００ｅに導入されたマイクロ波ＭＷは表面波として放射部１００ｅの表面を伝搬し、チャンバ３００内の空間８００に放射される。このようにして空間８００に放射されたマイクロ波ＭＷのエネルギーにより、プロセスガスのプラズマが形成される。こうして発生したプラズマ電子密度が、放射部１００ｅを透過して供給されるマイクロ波ＭＷを遮蔽できる密度（カットオフ密度）以上になると、マイクロ波ＭＷは放射部１００ｅの下面からチャンバ内の空間８００に向けて一定距離（スキンデプス）だけ入る間に反射され、マイクロ波ＭＷの定在波が形成される。

すると、マイクロ波ＭＷの反射面がプラズマ励起面となって、このプラズマ励起面で安定したプラズマが励起されるようになる。このプラズマ励起面で励起された安定的なプラズマ中においては、イオンや電子がプロセスガスの分子と衝突することにより、励起された原子や分子、遊離原子やラジカルなどの励起活性種（プラズマ生成物）が発生される。これらプラズマ生成物は、空間８００内を拡散して被処理物Ｗの表面に飛来し、エッチング、アッシング、薄膜堆積、表面改質、プラズマドーピングなどのプラズマ処理を行う。

以上説明したように、供給されたマイクロ波ＭＷは、放射部１００ｅの表面を表面波として伝搬し、プラズマの発生・維持に必要なエネルギーを与える。この時、発生する前述の定在波を共振させることができれば、それだけ大きなエネルギーを供給することができるので有利となる。ここで、通常は、共振させるためには放射部１００ｅの直径寸法をマイクロ波ＭＷの波長の整数倍とすることが望ましいとされる。例えば、マイクロ波電源周波数を２．４６ギガヘルツとすれば、その波長は１２１．９５ミリメータであるため、通常はこの値に近いことが望ましいとされる。

しかし、内導体１００ａの突出寸法Ｈ２と放射部厚さ寸法Ｈ１との関係を前述のものとする条件下では、放射部１００ｅの直径寸法を１２１．９５ミリメータとした場合、かえって共振周波数がずれるなどの問題が生じることが判明した。
本発明者は、検討の結果、放射部１００ｅの直径寸法を１００ミリメータ〜１０２ミリメータとすれば、放射部１００ｅ付近に発生する定在波を工業用マイクロ波電源周波数（２．４６ギガヘルツプラスマイナス３０メガヘルツ）で共振させることができるとの知見を得た。

すなわち、図７は、放射部１００ｅの直径寸法と共振周波数との関係を示すグラフ図である。ここで、横軸は共振周波数（ギガヘルツ）であり、縦軸は、結合度（カップリング）である。放射部１００ｅの直径寸法は、（ａ）φ１１１．２ミリメータ、（ｂ）φ１０５ミリメータ、（ｃ）φ１０１ミリメータ、（ｄ）φ９０ミリメータ、（ｅ）φ８０ミリメータ、（ｆ）７０ミリメータである。

この時の測定条件は、放射部厚さ寸法Ｈ１を１０ミリメータ、内導体１００ａの突出寸法Ｈ２を２ミリメータ、内導体１００ａの直径寸法を４ミリメータ、外導体１００ｂの外径１４ミリメータ×内径１０ミリメータ、外部被覆部１００ｄの厚さ寸法３ミリメータ、チャンバ３００の内壁から放射部１００ｅ上面までの寸法を５３ミリメータ、外部被覆部１００ｄ・内部充填部１００ｃ・放射部１００ｅの材質を石英、内導体１００ａ・外導体１００ｂの材質を銅、プロセスガスを酸素、チャンバ内圧力は１５Ｐａとすることができる。

同図縦軸のカップリングとはマイクロ波ＭＷとプラズマとのカップリングを言うが、ここで重要なことはピークが現れるか否かと、そのピークがどこに現れるかである。すなわち、ピークが現れると言うことはその周波数で共振が起こっていることを示し、また、そのピークは導入する工業用マイクロ波電源周波数（２．４６ギガヘルツプラスマイナス３０メガヘルツ）に近いことが望ましいからである。

同図からわかるように、放射部１００ｅの直径寸法を（ｃ）φ１０１ミリメータとすれば、周波数２．４６ギガヘルツ付近で共振していることがわかる。そして、直径をφ４ミリメータ大きくしただけでも（（ｂ）φ１０５ミリメータ）、共振周波数が２．４ギガヘルツと６０メガヘルツもずれてしまい工業用マイクロ波電源周波数（２．４６ギガヘルツプラスマイナス３０メガヘルツ）のマイクロ波を導入したのでは共振しないことがわかる。

図８も、放射部１００ｅの直径寸法と共振周波数との関係を示すグラフ図であるが、同図の場合は直径寸法１０１ミリメータ付近での詳細を表したグラフ図である。ここで、放射部１００ｅの直径寸法は、（ａ）φ１０５ミリメータ、（ｂ）φ１０４ミリメータ、（ｃ）φ１０３ミリメータ、（ｄ）φ１０２ミリメータ、（ｅ）φ１０１ミリメータ、ｆ）φ１００ミリメータ、（ｇ）φ９５ミリメータである。

同図からわかるように、工業用マイクロ波電源周波数（２．４６ギガヘルツプラスマイナス３０メガヘルツ）に最も近い所で共振するのは直径が（ｅ）φ１０１ミリメータのときである。また、直径を（ｆ）φ１００ミリメータとすれば共振周波数は２．４８ギガヘルツ程度となり、直径を（ｄ）φ１０２ミリメータとすれば共振周波数は２．４４ギガヘルツ程度となる。そのため、直径をこれより大きくしたり小さくしたりすれば、工業用マイクロ波電源周波数（２．４６ギガヘルツプラスマイナス３０メガヘルツ）では共振が起こらないことがわかる。

前述のようにして一度決定した放射部１００ｅの直径や厚さ寸法Ｈ１も、マイクロ波電源周波数の変更や変動、プラズマ処理条件の変更や変動などのため変更せざるを得ない場合も生じる。本発明においては、このような場合に対処すべく、放射部１００ｅを着脱自在な構造とすることも可能である。

図９（ａ）は、放射部を着脱自在な構造とした場合の具体例を表す模式図であり、図９（ｂ）は、（ａ）のＹ−Ｙ線の模式断面図である
本具体例においては、外部被覆部１００ｄ側に雄ねじ部１００ｇを、放射部１００ｅ側に雌ねじ部１００ｆを設けている。
本発明においては、このような構成により放射部１００ｅを着脱自在としているため、マイクロ波電源周波数の変更や変動、プラズマ処理条件の変更や変動などに合わせて最適な寸法を持つ放射部１００ｅに簡単に交換することができる。なお、前述の構造は例示にすぎず、放射部１００ｅを着脱自在とするものはすべて本発明に包含される。例えば、外部被覆部１００ｄ側に雌ねじ部１００ｆを、放射部１００ｅ側に雄ねじ部１００ｇを設けてもよいし、結合には摩擦力を使ったものでもよい。分離位置も図７に例示したものに限定されず適宜変更が可能である。
このような構成にしておけばメンテナンスなどの際の部品交換においても、最小限の部分の交換ですむため経済的でもある。

次に、本実施形態のマイクロ波導入器１００を用いたプラズマ発生装置の他の具体例について説明する。
図１０は、本発明の実施の形態にかかるプラズマ処理装置の要部基本構成を例示する斜視一部断面図である。
本具体例のプラズマ処理装置７０１は、減圧状態でプラズマ処理を実施可能としたものであり、チャンバ３００と、これに取り付けられた複数のマイクロ波導入器１００と、を有する。マイクロ波導入器１００は、図１乃至図９に関して前述した本発明の実施の形態にかかるものである。これらマイクロ波導入器１００は、例えば、図１０に例示したように、チャンバ３００の中心軸からみて同一円周上に等間隔に配置することができる。これらマイクロ波導入器１００のそれぞれには、導波管２０１を介してマイクロ波ＭＷが導入される。

本具体例の導波管２０１は、環状（ループ状）共振器となっている。
すなわち、図１０において導入導波管２２０に矢印の方向から導入されたマイクロ波ＭＷは、導入導波管２２０と導波管２０１（ループ状共振器）との間に設けられた結合部２１０（スロット）を介して導波管２０１（ループ状共振器）に導入される。導波管２０１（ループ状共振器）は、マイクロ波ＭＷがループ状に伝搬しながら共振するように設計されている。そして、導波管２０１（ループ状共振器）内で共振したマイクロ波ＭＷは、マイクロ波導入器１００の内導体１００ａから内部充填部１００ｃに導入される。
このような導波管２０１（ループ状共振器）を設ければ、導入導波管２２０から導入されたマイクロ波ＭＷを共振させることができるので、それだけ強力なマイクロ波ＭＷをマイクロ波導入器１００に送ることができる。

一方、チャンバ３００は、図示しない排気手段によりその内部を減圧状態に維持可能とされている。ステージ４００の上に被処理物Ｗを載置し、図示しないガス導入系を介して、所定のプロセスガスを導入した状態で、マイクロ波ＭＷをチャンバ３００内に導入することによりプラズマを発生させる。このプラズマにより、プロセスガスが適宜分解あるいは活性化されてラジカルなどの活性種や分解種が生成され、これらが被処理物Ｗの表面に作用することでエッチング、アッシング、堆積、表面改質、ドーピングなどの各種プラズマ処理が行われる。

本発明によれば、このようなプラズマ処理装置７０１において、図１乃至図９に関して前述したマイクロ波導入器１００を設けることにより、チャンバ内壁面から離れた位置にプラズマを発生させることができるため、パーティクルや金属汚染の発生が極めて少ない環境を得ることができる。

図１１は、本実施形態のプラズマ処理装置の第２の具体例の要部基本構成を例示する模式断面図である。
本具体例のプラズマ処理装置７１０も、基本的な構成は前述した図１０のプラズマ処理装置７０１と同様であるが、ステージ４００に高周波電源４１０が接続されている点が異なる。高周波電源４１０によりステージ４００に高周波バイアスをかけることができるので、活性種や分解種を被処理物Ｗの表面に引き込むことができる。そのため、活性種や分解種のチャンバ内壁面側への移動がますます少なくなり、パーティクルや金属汚染の発生をさらに抑えることができる。本具体例において、チャンバ３００の天井部に、２つのマイクロ波導入器１００が設けられた構造を有する。これにより、パーティクルや金属汚染の発生を抑制したまま、より短時間でプラズマ処理を行うことが可能となる。ただし、本発明はこれには限定されず、マイクロ波導入器が１つであっても、２つ以上であっても、本具体例と同様の効果が得られる。

図１２は、本実施形態のプラズマ処理装置の第３の具体例の要部基本構成を例示する模式断面図である。
本具体例のプラズマ処理装置７２０も、基本的な構成は前述した図１０のプラズマ処理装置７０１と同様であるが、チャンバ壁面内に冷却媒体を循環させる冷却手段３３０を設けた点が異なる。すなわち、本具体例のプラズマ処理装置７２０では、冷却手段３３０によりチャンバ内壁面の温度を下げることができる。そのため、チャンバ内壁面と活性種や分解種との反応が弱くなり、パーティクルや金属汚染の発生をさらに抑えることができる。ここで、本発明の効果により冷却手段３３０の冷却能力は、冷却手段３３０のみによりパーティクルや金属汚染の発生を抑える場合に比べて大幅に低いものでも足りる。そのため、冷却手段３３０を設ける場合でも、冷却手段３３０自体が簡略化、小型化できプラズマ処理装置の機構の複雑化や装置寸法の肥大化を抑えることができる。

図１２では、冷却手段３３０をチャンバ天井部に設けた具体例を表したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、チャンバ側壁部や底部にも冷却手段３３０を設けたり、これらのいずれか同士を適宜組み合わせてもよい。また、冷却手段３３０を、チャンバ外壁面や内壁面に接触させるように設けてもよいし、冷却手段３３０として冷却媒体を循環させるものを設ける代わりに、例えば、冷風をチャンバの外壁面に吹きかけたり、ペルチェ素子などで冷却するようにしたものであってもよい。

図１３は、本実施形態のプラズマ処理装置の第４の具体例の要部基本構成を例示する模式断面図である。
本具体例のプラズマ処理装置７３０の基本構造は、図１に関して前述したプラズマ処理装置７００と同様であるが、ステージ４００とチャンバ３００の底部の間に加熱用ヒータ４２０が設けられた構造を有する。このように加熱ヒータを設けることで、プラズマ処理を促進させ、アッシング処理などをより高速で行うことが可能となる。

図１４は、本実施形態のプラズマ処理装置の第５の具体例の要部基本構成を例示する模式断面図である。
本具体例のプラズマ処理装置７４０は、基本的な構成は前述した図１のプラズマ処理装置７００と同様である。しかし、ステージ４００の主面上に静電チャック４３０が設けられた構造を有する。また、図１３と同様に、ステージ４００とチャンバ３００の底部の間には加熱用ヒータ４２０が設けられている。このように、ステージ４００上に静電チャック４３０を設けることで、例えば、被処理物Ｗを吸着し固定した状態にでき、加熱用ヒータ４２０からの熱に対する熱接触もより向上させてプラズマ処理することが可能となる。

また、図１０乃至図１４に示した具体例の各要素を適宜組み合わせることでプラズマ処理装置を構成することもできる。例えば、前述の導波管２０１（ループ状共振器）、高周波電源４１０、冷却手段３３０などを適宜組み合わせてもよい。
以上具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。

例えば、本発明は、減圧空間でプラズマを発生しプラズマ処理する減圧プラズマ発生装置及び減圧プラズマ処理装置には限定されず、大気圧空間でプラズマを発生しプラズマ処理をする大気圧プラズマ発生装置及び大気圧プラズマ処理装置に用いても、同様の作用効果が得られ、これらも本発明の範囲に包含される。

また、本発明において用いる導波管、チャンバやこれらに付設される要素は、図示した形状、サイズのものには限定されず、その断面形状、壁面厚、開口の形状やサイズ、材質などは本発明の範囲内において適宜変更して同様の作用効果が得られ、これらも本発明の範囲に包含される。
導波管、導入導波管も完全な方形である必要はない。

また、チャンバの形状やサイズ、あるいはその内部の配置関係についても、図示したものには限定されず、プラズマ処理の内容や条件などを考慮して適宜決定することができる。例えば、プラズマ発生部はプラズマ処理室の上面でなく、側面や下面に付設してもよく、または、これらを組み合わせてもよい。つまり、ひとつのチャンバに複数のプラズマ発生部を付設してもよい。このようにすれば、被処理物の形状やサイズに合わせて均一あるいは所定の密度分布を有する大面積のプラズマを形成することが可能となる。

さらにまた、上述した具体例においては、プラズマ発生装置及びプラズマ処理装置の要部構成のみ説明したが、本発明は、このようなプラズマ発生装置を有する全てのプラズマ処理装置を包含し、例えば、エッチング装置、アッシング装置、薄膜堆積装置、表面処理装置、プラズマドーピング装置などとして実現したプラズマ処理装置のいずれもが本発明の範囲に包含される。

本発明の具体例にかかるプラズマ処理装置の要部基本構成を説明する模式断面図である。 図２（ａ）は、図１の領域Ｘに含まれるマイクロ波導入器を表す模式断面図であり、図２（ｂ）は、（ａ）のＹ−Ｙ線の模式平面図である。 マイクロ波ＭＷがＴＥＭモードで内部充填部１００ｃを伝搬する様子を説明するための概念図である。 図４（ａ）は、内導体の突出寸法Ｈ２と電界強度比との関係を示すグラフ図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）で用いる電界強度比を説明する模式図である。 本実施形態に係るマイクロ波導入器から得られる実験例を表す模式図である。 プラズマ電子密度と電界強度比との関係を示すグラフ図である。 放射部１００ｅの直径寸法と共振周波数との関係を示すグラフ図である。 放射部１００ｅの直径寸法と共振周波数との関係を示すグラフ図である。 図９（ａ）は、放射部を着脱自在な構造とした場合の具体例を表す模式図であり、図９（ｂ）は、（ａ）のＹ−Ｙ線の模式断面図である。 本発明の実施の形態にかかるプラズマ処理装置の要部基本構成を例示する斜視一部断面図である。 本実施形態のプラズマ処理装置の第２の具体例の要部基本構成を例示する模式断面図である。 本実施形態のプラズマ処理装置の第３の具体例の要部基本構成を例示する模式断面図である。 本実施形態のプラズマ処理装置の第４の具体例の要部基本構成を例示する模式断面図である。 本実施形態のプラズマ処理装置の第５の具体例の要部基本構成を例示する模式断面図である。 チャンバ内壁から離れた位置に放射部を備えるプラズマ処理装置を例示する模式図である。

符号の説明

１００ マイクロ波導入器、１００ａ 内導体、１００ｂ 外導体、１００ｃ 内部充填部、１００ｄ 外部被覆部、１００ｅ 放射部、１００ｆ 雌ねじ部、１００ｇ 雄ねじ部、１０１ 導波体、２００ 導波管、３００ チャンバ、３３０ 冷却手段、４００ ステージ、４０５ 排気口、４１０ 高周波電源、４２０ 加熱ヒータ、４３０ 静電チャック、７００、７１０、７２０、７３０ プラズマ処理装置、８００ チャンバ空間、Ｈ１ 放射部厚さ寸法、Ｈ２ 内導体の突出寸法、ＭＷ マイクロ波、Ｗ 被処理物

Claims (8)

1. プラズマを発生させる空間を有するチャンバに取り付けられるマイクロ波導入器であって、
   前記マイクロ波導入器は、前記チャンバの壁面から前記プラズマを発生させる空間に向けて突出した導波体と、前記導波体の先端に設けられ前記プラズマを発生させる空間にマイクロ波を放射させる放射部と、
   を備え、
   前記導波体は、内導体と、前記内導体の外側に設けられた外導体と、前記内導体と前記外導体との間に設けられマイクロ波を伝搬する内部充填部と、を有し、
   前記内導体は、前記放射部を貫通せず前記放射部の内部に突出し、
   前記内導体の突出寸法は、前記放射部の厚さ寸法の１５％〜６０％であり、
   前記外導体は、前記放射部の内部に突出していないこと、を特徴とするマイクロ波導入器。
2. 前記導波体は、前記外導体の外側に設けられた外部被覆部をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波導入器。
3. 前記放射部は、前記マイクロ波を共振させることを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロ波導入器。
4. 前記マイクロ波の周波数は、２．４６ギガヘルツプラスマイナス３０メガヘルツであり、
   前記放射部は、円板状でその直径寸法が１００ミリメータ以上１０２ミリメータ以下であること、を特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のマイクロ波導入器。
5. チャンバと、
   前記チャンバに取り付けられた請求項１〜４のいずれか１つに記載のマイクロ波導入器と、
   を備え、
   前記マイクロ波導入器を介して導入されるマイクロ波により前記プラズマを発生させる空間においてプラズマを発生可能としたこと、を特徴とするプラズマ発生装置。
6. 前記チャンバの外側に設けられ、前記マイクロ波導入器にマイクロ波を導入する導波管をさらに備えたこと、を特徴とする請求項５記載のプラズマ発生装置。
7. 前記導波管が環状共振器であること、を特徴とする請求項６記載のプラズマ発生装置。
8. 請求項５〜７のいずれか１つに記載のプラズマ発生装置を備え、
   前記発生させた前記プラズマによって被処理物のプラズマ処理を実施可能としたことを特徴とするプラズマ処理装置。